摘要：個(gè)性化、美觀化的健康飲食越來越受到歡迎，傳統(tǒng)食品加工技術(shù)很難完全滿足個(gè)性化需求。設(shè)計(jì)開發(fā)可自清潔的食品3D打印機(jī)，該設(shè)備可以用巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材進(jìn)行打印。3D打印機(jī)的自清潔機(jī)構(gòu)能夠及時(shí)清理食品加工過程中產(chǎn)生的各種碎屑、廢料，食材存儲(chǔ)與加熱裝置可以確保加工多種不同食材。此外，深入分析了巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材的粘稠度、流動(dòng)性、受熱性等特性，相應(yīng)設(shè)計(jì)了多種模塊化打印噴頭。本設(shè)計(jì)可以滿足個(gè)性化精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)的配餐供應(yīng)，為個(gè)性化、定制化餐飲行業(yè)提供了新的路徑，具有良好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：3D打?。粋€(gè)性化；精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)；自清潔

中圖分類號(hào)：G717 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-2346 （2025） 01-0101-04

0 引言

隨著生活水平不斷提高，健康飲食理念深入人心，越來越多的人追求個(gè)性化、美觀化的營(yíng)養(yǎng)飲食。傳統(tǒng)食品加工技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，而食品3D打印技術(shù)能夠切合個(gè)性化、定制化飲食需求，不僅能自主搭配、均衡營(yíng)養(yǎng)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)定制，還可以根據(jù)個(gè)人情感需求調(diào)整食物形狀，增加趣味性、提升情緒價(jià)值。食品3D打印采用多品種的原料混合搭配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)及其他功能因子等營(yíng)養(yǎng)素成分按照需求比例加以平衡，在滿足原料3D打印適宜性的前提下，打印成為營(yíng)養(yǎng)均衡、美味可口、外觀優(yōu)美、方便食用的新型食品。因此，食品3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)分類人群或個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)定制供餐，為健康個(gè)性化飲食提供了可能性。食品3D打印機(jī)適用于酒店自助餐廳、甜品店、蛋糕店等，市場(chǎng)需求十分廣闊，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。

近年來，諸多學(xué)者和研究人員針對(duì)食品3D打印進(jìn)行相關(guān)研究，運(yùn)用3D打印技術(shù)，以食物為原料，根據(jù)不同人群對(duì)飲食的需求，對(duì)食品形狀定制與營(yíng)養(yǎng)優(yōu)化。魏林林以馬鈴薯全粉為原料，設(shè)計(jì)了一種可用于打印高黏度MP的食品3D打印設(shè)備，以提高M(jìn)P的打印質(zhì)量和打印效率；盧麗姣等利用魔芋淀粉成膠特點(diǎn)，開發(fā)出一種可用于食品3D打印的凝膠體系，為食品創(chuàng)新和個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)食品定制提供新思路；葛正浩等研制了一種圓柱坐標(biāo)式多材料食品3D打印設(shè)備，對(duì)其擠出、成型及多材料等工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為多材料食品3D打印設(shè)備的工藝參數(shù)提供了指導(dǎo)；肖帥磊等概述食品3D打印技術(shù)的基本原理和打印方式，研究了3D打印肉制品的應(yīng)用，為肉制品3D打印研究方向提供了參考。

縱觀食品3D打印技術(shù)相關(guān)研究，已取得了一系列研究成果。但由于食物原材料在3D打印過程中會(huì)產(chǎn)生碎屑、殘?jiān)?、粉末等，此類殘料不易清理且影響食品衛(wèi)生安全，目前市面上尚無一款3D打印設(shè)備能有效解決上述難題。本文開發(fā)了一款具有自清潔功能的3D打印設(shè)備，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)食品殘?jiān)郧鍧崱?D打印和廢料收集等功能的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，確保食材3D打印與殘料的高效清理，為多樣化、個(gè)性化安全食品開發(fā)提供了技術(shù)支撐，具有良好的應(yīng)用前景與商業(yè)推廣價(jià)值。

1 自清潔機(jī)構(gòu)

食品3D打印設(shè)備通常采用巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材進(jìn)行打印，打印過程難免會(huì)產(chǎn)生各種碎屑、廢料等。這些食品碎屑、殘?jiān)?、粉末容易粘結(jié)到打印平臺(tái)、內(nèi)壁等處，不易清理且容易變質(zhì)，若不及時(shí)清理可能造成食品安全事故。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新開發(fā)了自清潔機(jī)構(gòu)，確保食品打印完成后自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部自清潔，該機(jī)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成，包括調(diào)節(jié)裝置和自清潔裝置。

1.1 調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

自清潔機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)裝置主要由絲杠和限位梁兩部分組成，如圖1所示。調(diào)節(jié)裝置主要行使傳動(dòng)功能，可以將自清潔機(jī)構(gòu)的自清潔裝置移動(dòng)到目標(biāo)位置。調(diào)節(jié)裝置中的絲杠主要行使該功能，絲杠可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)自清潔裝置左右移動(dòng)。限位梁主要保障自清潔機(jī)構(gòu)的主體安全，使自清潔機(jī)構(gòu)在工作和移動(dòng)時(shí)保持平衡，確保自清潔機(jī)構(gòu)主體不會(huì)發(fā)生側(cè)翻和傾斜。調(diào)節(jié)裝置的主體部分連接伸縮電缸，確保能夠清潔3D打印平臺(tái)的所有部位，保證自清潔機(jī)構(gòu)的全面性和有效性。伸縮電缸兩端分別連接調(diào)節(jié)裝置和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)缸，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)缸的另一端延伸部分連接小型電動(dòng)旋轉(zhuǎn)缸和小型伸縮電缸，所有這些驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共同驅(qū)動(dòng)上述調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)整整個(gè)自清潔機(jī)構(gòu)的工作姿態(tài)，以保證其運(yùn)行高效性。

1.2 自清潔裝置設(shè)計(jì)

食材碎屑冷卻后粘合在工作臺(tái)頂面、底座頂面或者凹槽頂面，導(dǎo)致清理難度較大。自清潔裝置采用噴氣清理模式，由噴氣口和橡膠撥片構(gòu)成。自清潔裝置的噴氣口可以噴射出熱空氣，高速流動(dòng)的熱空氣作用于各種食材碎屑上，使其快速熔化，再利用橡膠撥片使其移動(dòng)進(jìn)入漏料口，最終落入廢料盒內(nèi)，從而完成設(shè)備內(nèi)部各部位的自清潔。

2 丁印平臺(tái)

打印平臺(tái)是食品3D打印設(shè)備的核心部件之一，由打印臺(tái)與升降裝置構(gòu)成，食品打印整個(gè)過程在打印平臺(tái)上完成，整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 打印臺(tái)設(shè)計(jì)

食品3D打印臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅影響食品打印過程的食品形狀和打印效率，影響設(shè)備使用過程的復(fù)雜度和便利性，尤其是設(shè)備自清潔效率。綜合考慮結(jié)構(gòu)的功能性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了“中間平，兩邊斜”打印臺(tái)，該臺(tái)面不僅滿足了食品打印過程中打印的便攜性、形狀的多樣性、成型的高效性，而且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自清潔的便捷性、快速性和有效性，從而達(dá)到高效打印和自動(dòng)清潔。

2.2 打印平臺(tái)升降裝置設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)打印的高效性及多樣性，需要平臺(tái)升降裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的升降裝置可以實(shí)現(xiàn)打印臺(tái)的移動(dòng)功能，同時(shí)有助于提高食品打印及完成后清潔的高效性。升降裝置由兩對(duì)導(dǎo)桿與一對(duì)絲桿組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿帶動(dòng)平臺(tái)的升降，兩對(duì)導(dǎo)桿確保導(dǎo)向穩(wěn)定和保持平臺(tái)移動(dòng)平衡。

3 3D打印機(jī)構(gòu)

打印機(jī)構(gòu)是食品3D打印設(shè)備的最核心機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由三大部分構(gòu)成，分別為食材存儲(chǔ)與加熱裝置、擠出打印裝置和機(jī)構(gòu)移動(dòng)裝置，食品3D打印機(jī)的打印機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

3.1 食材存儲(chǔ)與加熱裝置

食品3D打印過程中，巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材加熱狀態(tài)下均呈現(xiàn)半凝固狀態(tài)易形成堵塞。根據(jù)食材性狀特點(diǎn)，為防止擠出打印前食材過早凝固，進(jìn)而堵塞打印噴頭，針對(duì)性設(shè)計(jì)了食材存儲(chǔ)與加熱裝置，如圖4所示。該裝置穩(wěn)定密封保存食材，并在食材打印前可以進(jìn)行加熱，確保食材處于待打印狀態(tài)，保證打印過程的均勻流暢。經(jīng)過不斷試驗(yàn)和改良驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)具有很好的可靠性和有效性，能夠有效避免打印過程中的噴頭堵塞問題。

3.2 擠出打印裝置

擠出打印裝置是食品3D打印設(shè)備的重要部件之一，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以更容易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)打印形狀，同時(shí)兼顧打印精度和打印速度。根據(jù)巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材不同特性，設(shè)計(jì)了多模塊化擠出打印噴頭，可針對(duì)不同食材進(jìn)行選擇替換，以此保證每種食材均有最適合的噴頭進(jìn)行打印，兩種典型的擠出打印機(jī)構(gòu)方案，如圖5所示。所有打印裝置均采用螺旋進(jìn)給結(jié)構(gòu)，結(jié)合食材存儲(chǔ)與加熱裝置，能夠確保食材受熱均勻，從而共同保證食品打印過程能夠平穩(wěn)、流暢、均勻地?cái)D出，順利打印成型。

3.3 打印機(jī)構(gòu)的移動(dòng)裝置

打印機(jī)構(gòu)的移動(dòng)裝置采用X-Y軸的平面二維移動(dòng)方式，以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用帶輪方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳送。每個(gè)方向都設(shè)有金屬桿，保證了擠出打印裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和打印過程的一致性。

4 廢料收集機(jī)構(gòu)

廢料收集機(jī)構(gòu)位于打印平臺(tái)底部，中間設(shè)有廢料槽，便于收集食材打印過程中產(chǎn)生的碎屑、廢料。底部有可拆卸廢料槽插口，可以取出廢料槽進(jìn)行清理，廢料槽插口底部設(shè)有滾輪，便于廢料槽的抽取與放回。廢料收集機(jī)構(gòu)設(shè)有槽滿提示，槽內(nèi)傳感器檢測(cè)到廢料槽裝滿則發(fā)出提示音提醒及時(shí)處理。

5 結(jié)語

本文研發(fā)的自清潔食品3D打印設(shè)備相較于普通食品3D打印機(jī)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了高效、便捷的自動(dòng)清理機(jī)構(gòu)，能夠有效避免設(shè)備清理難、清理不及時(shí)、殘?jiān)鬃冑|(zhì)等問題。根據(jù)巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材不同特性，設(shè)計(jì)了多模塊化擠出打印噴頭，可針對(duì)不同食材選擇替換噴頭，實(shí)現(xiàn)多類型食材的打印。該設(shè)備清理裝置多處采用伸縮結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)靈活、執(zhí)行高效，可以根據(jù)具體需求變換姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)清理碎屑，完成后只需要將廢料槽中的廢料盒取出處理即可。自清潔食品3D打印機(jī)適用于酒店自助餐廳、甜品店、蛋糕店、家庭自用、自主創(chuàng)業(yè)等，3D食品打印技術(shù)不僅有助于食品多元化、提升食品品質(zhì)，還能滿足時(shí)尚需求、特殊群體精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)配餐等，如運(yùn)動(dòng)員、老年人、嬰幼兒等，便于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化食物和自主選擇營(yíng)養(yǎng)。自清潔食品3D打印機(jī)有助于建立健康飲食理念，能夠提供健康個(gè)性化飲食，具有良好的社會(huì)效益和推廣價(jià)值。

基金項(xiàng)目：浙江省新苗計(jì)劃（2023R467A004）